NE Černobilj prije 25 godina - tehnički opis događaja u teškoj nesreći u jedinici 4

Detalji

Utorak, 26 Travanj 2011 17:19

Autor: Administrator

Na današnji dan prije dvadeset i pet godina dogodila se teška nesreća (engl. severe accident) u jedinici 4 nuklearne elektrane (NE) u Černobilju, u Ukrajini u blizini ukrajinsko-bjeloruske granice. Obično se oko ovog datuma u svijetu, ali i u našoj zemlji, u medijima objavljuje niz novinarskih priloga te ukazuje na ono što se dogodilo u NE Černobilj. Ovaj je članak mali doprinos u smislu tehničkog objašnjenja stanja i tijeka događaja u elektrani i oko nje. U danas objavljenom članku kolege Šimića dan je osvrt na posljedice po okoliš i zdravlje ljudi.

Nesreća koja se 1986. godine dogodila u nuklearnoj elektrani Černobilj imala je kasnije značajan, premda neopravdan, negativni utjecaj na daljnji razvoj nuklearne energetike u svijetu. Ukratko, primarni je uzrok nesreće ljudska pogreška – narušavanje čitavog niza propisanih instrukcija i operativnih postupaka. Sekundarni se uzroci mogu sažeti u kategoriju nedostataka u projektu i izvedbi elektrane.

U NE Černobilj postojale su četiri jedinice vrste RBMK, a jedinice 5 i 6 bile su u izgradnji. Za vrijeme nesreće u jedinici 4, jedinice 1 do 3 nastavile su normalno s pogonom i nisu bile utjecane nesrećom u jedinici 4, dok je naknadno obustavljena izgradnja jedinica 5 i 6. (opširnije u nastavku)

Nuklearne elektrane vrste RBMK (rus. reaktor boljšoj močnosti kanalni, /reaktor velike snage kanalskog tipa/), projektirane su i građene samo u bivšem Sovjetskom Savezu. Kao gorivo koriste blago obogaćeni uranov dioksid (težinsko obogaćenje u izotopu U-235 od oko 2%, u odnosu na udio od 0,711% u prirodnom uranu), moderirane su grafitom i hlađene vodom koja ključa. Riječ je o termičkom reaktoru u kojem fisije nastaju djelovanjem termičkih neutrona (neutroni nastali u fisijama te zakašnjeli neutroni naknadno usporeni u moderatoru do termičkih energija, reda veličine 0,01 do 0,1 eV) na fisijski materijal (U-235).

Ove vrste bila je i prva NE u svijetu puštena u pogon 1954. g. u Obninsku. Kasnije su se ovi reaktori gradili kao velike jedinice od 1.000 MW_e (RBMK-1000, toplinska snaga oko 3.200 MW_t), dok su u posljednjoj fazi to bile elektrane snage 1.500 MW_e (npr. NE Ignalina u Litvi). Danas se u Ruskoj Federaciji u pogonu nalazi još 11 jedinica RBMK-1000 (Kursk 1-4, Leningrad 1-4 i Smolensk 1-3), a 14 ih je zatvoreno ili je obustavljena njihova izgradnja. Jedinice u pogonu značajno su sigurnosno unaprijeđene.

Riječ je o fizički velikom reaktoru ekvivalentnog promjera oko 14 m i visine oko 8 m, smještenom u armirano-betonsku zgradu baze 21x21 m i visine 25 m. Jezgra reaktora izgrađena je od grafitnih blokova ploštine 22x22 cm i dužine oko 60 cm koji tijekom pogona dostižu temperaturu oko 1.000 K (ukupno 2.500 t u jedinici 4). U njima su napravljeni provrti u kojima su tlačne cijevi od legure cirkonija i niobija promjera 88 mm debljine stjenke 4 mm.

U svaku od 1.660 tlačnih cijevi (dugih 7 m) u jezgri reaktora smještena su dva koaksijalna gorivna elementa duga 3,5 m.Gorivni elementi sastoje se od 18 gorivnih šipki promjera 13 mm. Mješavina vode i vodene pare (mokra para) protječe kroz tlačne cijevi. Rashladni fluid protječe kroz reaktor i kroz dvije rashladne petlje (kruga). Svaki krug uključuje polovicu tlačnih cijevi reaktora, dva separatora pare, četiri recirkulacijske pumpe, te na istoj osovini visokotlačnu turbinu, četiri niskotlačne turbine i turbogenerator od 500 MW_e.

Prednost je ove vrste reaktora što, pored blago slabo obogaćenog nuklearnog goriva (pogon bez izmjene goriva od barem 12 mjeseci), posjeduje i stroj za kontinuirano rukovanje s nuklearnim gorivom tijekom pogona reaktora. Ovo osigurava veću raspoloživost elektrane, i osigurava mogućnost reguliranja odgora gorivnih elemenata (količina proizvedene toplinske energije po toni metalnog urana [GWd_t/tU]) u pojedinim rashladnim kanalima bez obustave reaktora. Ta prednost je zapravo korištena da bi se proizvodio plutonij‑239 za nuklearno oružje.

No, ova vrsta reaktora ima i bitnih nedostataka, od kojih je najveći što projekt nije predvidio postojanje zaštitne zgrade (kontejnmenta) čija je uloga zadržavanje radioaktivnosti unutar zaštitne zgrade bez ispuštanja u okoliš i u slučaju granične projektom predviđene nesreće (engl. design basis accident, DBA).

Nadalje, nuklearne elektrane vrste RBMK karakterizira pozitivna vrijednost tzv. temperaturnog koeficijenta šupljina. Isparivanje, odnosno gubitak rashladne vode dovodi do porasta snage reaktora – s povećanjem temperature broj novih fisija se povećava, nedovoljna je margina za sigurnosnu obustavu reaktora, i ne postoji učinkoviti sustava za hlađenje grafita (najniža dopuštena termička snaga u radu je oko 22 % ukupne snage jer bi isparivanje na nižoj snazi rezultiralo prevelikim udjelom pare u smjesi voda - vodena para). Usto, sporo je kretanje regulacijskih šipki (voda u kanalima jezgre ograničava njihovu brzinu kretanja), a regulacijske šipke u svojem gornjem i donjem dijelu sadrže grafit umjesto materijala za apsorpciju neutrona (bor-karbid, B₄C) te je opasno kada je previše zaustavnih šipki izvučeno istovremeno. Prema tome, ovaj reaktor nije stabilan na malim snagama i može imati problema kod obustave pogona u određenim stanjima.

U jedinici 4 operateri su provodili eksperiment kojim su htjeli utvrditi može li, nakon gubitka vanjskog napajanja električnom energijom, turbina u zaustavljanju proizvesti dovoljno električne energije za napajanje sustava za zaštitno hlađenje jezgre prije starta diesel-generatora.

Plan je bio izvesti eksperiment na 30% snage (bez obustave reaktora kako bi operateri imali mogućnost ponoviti eksperiment). Eksperiment se trebao odnositi na konvencionalni (nenuklearni) dio elektrane, a nije bilo koordinacije između osoblja zaduženog za eksperiment i osoblja zaduženog za nuklearnu sigurnost elektrane.

Eksperiment je prije toga uspješno proveden, no rezultati su bili ispod očekivanja, turbine nisu osigurale dovoljno energije za pumpe sustava za hlađenje, niti za ostale sigurnosne uređaje. Na osnovi rezultata prethodnog eksperimenta, napravljena su izvjesna „poboljšanja“ koja je trebalo ispitati. Budući da je jedinica 4 trebala privremeno biti isključen zbog održavanja, ona je izabrana za eksperiment.

Eksperiment je trebalo ponoviti tijekom petka, 25. travnja 1986., ali je dispečerski centar elektroenergetskog sustava tražilo da ostanu u pogonu do kraja dana. Ovo je imalo za posljedicu pomicanje eksperimenta kasno u noć i nastavljanje provedbe od strane operaterske skupine koja nije izvorno uvježbavala eksperiment.

Da stvar bude gora operateri su izvukli iz reaktorske jezgre regulacijske i zaustavne šipke (za apsorpciju neutrona) tako ostavivši jezgru bez rezerve negativne reaktivnosti, kojom se može kompenzirati pozitivna reaktivnosti nastala naglim porastom snage, isparivanjem vode i povećanjem udjela vodene pare u smjesi vode i vodene pare. Dodatno, operateri su isključili i zaštitne sustave reaktora. Vjerojatno sve što se moglo loše napraviti i dogoditi, zaista se i ostvarilo. Ovo su napravili jer su s reaktorom došli u područje u kojem bi se aktivirala automatska obustava, a oni nisu htjeli odustati od ponavljanja eksperimenta.

Kakav je bio slijed događaja? Pogreškom operatera tijekom smanjenja snage, snaga je pala na nedozvoljenu nestabilnu vrijednost od 30 MW_t. Potom je uslijedio neuspio pokušaj dizanja snage na razinu 700 do 1.000 MW_t, uz isključenu automatsku regulaciju. Reaktor je ručno stabiliziran na oko 200 MW_t (snaga niža od minimalno dozvoljene). Da bi se kompenziralo smanjenje snage i tzv. „zatrovanje“ ksenonom (kada se reaktor sam obustavlja), izvučen je prevelik broj apsorpcijskih šipki (ostalo je 6 do 8 umjesto minimalno dozvoljenih 30).

Pripremajući eksperiment uključili su 4 recirkulacijske pumpe, povećan je protok pojne vode, smanjeno je ključanje u jezgri što dovodi do pada tlaka pare. Zbog isključene automatike i sigurnosnih sustava ostao je blokiran i signal za obustavu reaktora na nizak tlak.

Za održavanje snage bilo je potrebno izvući gotovo sve kontrolne šipke (da se kompenzira povećana količina vode u jezgri). Reaktor je u tim uvjetima nestabilan, operater je trebao često ugađati šipke da bi održao snagu, i usput blokirao nekoliko dodatnih signala za obustavu reaktora.

No, eksperiment se nastavio dalje, turbina je obustavljena, uz blokiran signal za automatsku obustavu reaktora (reaktor bi normalno automatski bio obustavljen nakon isključenja turbine).

Pumpe pogonjene turbinom u zaustavljanju usporavaju se, smanjuje se protok vode kroz jezgru, voda naglo ključa i isparuje što unosi pozitivnu reaktivnost (pozitivan temperaturni koeficijent šupljina). Operater je pokušao ručno obustaviti reaktor, no šipke sporo upadaju jer voda u kanalima ograničava brzinu njihovog kretanja.

Zbog povećanog isparivanja vode u rashladnim kanalima došlo je do naglog povećanja snage (pozitivni moderatorski koeficijent plus neodgovarajući dizajn kontrolnih apsorbera rezultirao je u promptnoj kritičnosti koja nije kompenzirana kritičnošću goriva; tzv. Dopplerov koeficijent. Toplinska snaga je u 4 sekunde porasla na vrijednost koja je stotinu puta veća od normalne što je dovelo do trenutnog isparivanja ostatka vode u jezgri, ogromnog porasta tlaka i nastanka prve – parne eksplozije.

Treba naglasiti da se nije dogodila, niti se je mogla dogoditi, nuklearna eksplozija. Nuklearna elektrana ne može niti teorijski eksplodirati kao nuklearna bomba zbog premalog obogaćenja fisijskog materijala.

Druga značajna reakcija koja je uslijedila bila je kemijska eksplozija – eksplozija vodika i ugljikovog monoksida te gorenje grafitnog moderatora, nakon oštećenja kape (poklopca) reaktora i ulaska zraka.

Pored ispuštenih plinovitih radioaktivnih produkata, što je manje opasno, došlo je do puno gore posljedice – raspršenja čestica reaktorske jezgre i moderatora (grafita) izvan elektrane, i kasnije depozicije radioaktivnih čestica na tlu bliže i šire od elektrane.

Kako se upravljalo nesrećom? Prvotno se pristupilo gašenju požara u i izvan reaktora (gorući komadi grafita bili su odbačeni na krovove okolnih zgrada). Iz helikoptera je izbacivan materijal da bi se spriječila kritičnost, smanjila temperatura, ugasio požar i smanjila ispuštanja: bor-karbid (40 tona), olovo (2.400 tona), dolomiti (800 tona), zemlja i pijesak (1700 tona). Pristupilo se probijanju podzemnog tunela s ciljem ubrizgavanja tekućeg (inertnog plina) dušika da bi se spriječiol međudjelovanje rastaljene jezgre i betona (tzv. MCCI, engl. Molten Core Concrete Interaction). Poslije je postavljena betonska konstrukcija ispod, ali se pokazalo da nije bila potrebna jer se taljenje jezgre zaustavilo na dnu reaktorske zgrade što praktično dokazuje da je tzv. kineski sindrom moguć samo u filmovima.

Provodilo se ispumpavanje vode iz bazena za sniženje tlaka da se spriječe nove eksplozije pare. Na kraju je izgrađen betonski “sarkofag” koji natkriva ostatke reaktorske zgrade nakon nesreće. „Sarkofag“ je sada u lošem stanju i planira se izgradnja novog.

Radioaktivnost raznošena vjetrom najviše je pogodila područje susjedne južne Bjelorusije, ali isto tako i krajnjih sjevernih prostora Ukrajine te jugozapadnih prostora Rusije, čija je granica također u neposrednoj blizini. Oblaci radioaktivne prašine izvan granica SSSR-a prvo su zabilježeni nad Švedskom nakon čega je alarmiran čitav svijet. Rusi su nažalost skrivali i u početku nijekali postojanje nesreće, no radioaktivnost, premda nevidljiva, može se jednostavno mjeriti. Za ilustraciju, slika pokazuje kako je rasprostranjena kontaminacija cezija-137 (vrijeme poluraspada preko 30 godina i stoga značajno dugo vremena).

Prema svemu navedenome jasno je da reaktori u elektrani Černobilj nisu mjerodavni za procjenu sigurnosti ostalih vrsta nuklearnih elektrana, jer nisu građeni uz poštivanje opće prihvaćenih kriterija sigurnosti, ali nisu ni temelj nuklearne energetike niti u jednoj zemlji izvan zemalja bivšeg SSSR-a.

Ova je nesreća bila velika pouka primarno za sovjetski nuklearni program, a imala je posljedice na cjelokupnu nuklearnu industriju i tvrtke koje upravljaju nuklearnim elektranama. Značajno je usporena izgradnja novih nuklearnih elektrana, tako da je naglasak prebačen na razvoj novih reaktora i usavršavanje s ciljem poboljšanja nuklearne sigurnosti, posebice na upravljanje teškim nesrećama, zaštitu od zračenja i pitanja vezana za pripravnost u slučaju nuklearne nesreće.

Pripremio: dr. sc. Igor Vuković

Komentari:

• < «
• » >